毕业设计论文--基于KPCI823卡加速度信号数模转换方法的研究.doc

中北大学2011届毕业设计说明书1 绪论1.1课题介绍本课题研究的是利用ansys/ls-dana软件建立炮弹侵彻两层钢板的模型，然后仿真弹体高速穿透两层钢板，得到弹体穿透钢板时的速度及加速度的数字信号，通过该软件的后处理器也可得到弹体的速度及加速度曲线。前面仿真得到的加速度数字信号要通过kpci-823数模转换卡转换得到加速度的模拟信号，从而为硬目标灵巧的设计提供技术途径。1.2本课题的研究现状从二十世纪中期开始，由于军事领域的迫切需求，现代军事目标均采取了埋设地下、提高建筑强度、增加复合材料、实现多层防护等措施,大大增强了抵御外部打击的自我保护能力。对这类目标进行攻击时,为了获得最大破坏和毁伤效果,弹丸必须对目标介质具有一定的识别和判断能力。这就涉及到了目标的侵彻动力学问题，许多武器实验室致力于进行碰撞后弹靶动态响应问题的研究。为了适应现代战争的需要,在实际的碰撞问题中，随碰撞速度、碰撞角度、弹靶材料、弹靶的几何外形和尺寸等初始条件的不同，弹靶相互作用的结果千差万别，非常复杂。弹靶动态响应问题之所以非常复杂的主要原因在于这一力学过程通常会同时涉及到三类非线性问题:几何非线性、材料非线性和边界非线性问题。几何非线性是指弹靶碰撞后发生大变形、大位移或大转动而导致平衡方程和几何关系都可能是非线性的。材料非线性是指弹靶材料的非线性本构关系，这在通常弹速(10-1000m/s)的碰撞问题中尤其重要。另外，弹靶碰撞问题中相互接触边界的位置和范围以及接触面上的力事先并不知道，需要依赖整个碰撞问题的求解才能确定，从而构成了边界条件的非线性。通常将较高速度的弹体碰撞靶体之后的力学过程称为侵彻，它可以分为弹体侵入靶体、在靶体介质中运动和弹体穿出靶体等几个主要阶段。同其它学科的研究一样，实验、理论分析和数值模拟是侵彻问题研究的三类基本方法。这三类研究方法各有优缺点，可以也需要互相借鉴，互相促进，共同发展1。早期，侵彻问题主要以实验、以及在大量实验的基础上提出或修正经验公式为主要研究方向。实验是基础，是检验理论分析和数值模拟结果的基本标准。但是，实验研究费时费力，也不可能得到侵彻过程的所有结果。经验公式主要采用量纲分析的方法得到，另外也在一定程度上考虑弹体受到的阻力、能量效应等力学机制。经验公式的优点是有实验数据的基础，但是，经验公式主要反映的是大量实验数据的数学拟合结果，难以全面反映侵彻过程的力学实质。所以，选用经验公式分析问题时必须要同拟合经验公式的实验条件基本一致，因此经验公式的使用受到很大限制。有许多研究者一直致力于对侵彻问题的理论分析模型的研究工作。理论分析方法能够在一定程度上反映侵彻过程的主要力学机制，能够得到一些有定性指导意和重要应用价值的结果。但是，理论分析方法需要对材料性质及力学过程进行必要的简化，过多的简化可能导致较大的误差，甚至产生错误的结果。而且，对于武器研制和防护工程中的许多实际问题，如弹体强度分析和靶体损伤破坏分析等，利用理论方法分析非常困难。随着计算机性能的飞速提高和计算方法的快速发展，数值模拟成为研究侵彻问题的重要方法。数值模拟能够方便地得到侵彻过程的大量信息，可以进行各种不同条件下侵彻问题的计算分析。数值模拟的基础是力学守恒方程、材料模型及计算方法。其中，本构模型以及数值计算方法是数值模拟的关键环节，也是目前数值计算方法中需要改进的主要困难。本构模型的作用尤其重要，如果没有准确描述材料性能的本构模型，那就很难正确地数值模拟侵彻的力学过程。数值计算的方法，尤其是接触算法以及断裂和损伤等的处理技巧等在侵彻问题的计算中非常重要，是相关程序软件好坏的基本标志。最近几年，国内钻地弹等武器研制以及防护工程建设的需要大大推动了侵彻问题的研究。许多研究者在这一领域进行了许多卓有成效的研究工作，涉及实验研究、理论分析和数值模拟计算等的各个方面。尽管如此，由于侵彻过程的理论和数值分析是当前材料学、力学和计算数学学科中极为困难的研究课题，还有许多相关工程中的实际问题得不到很好的解答。目前，对于数模转换器，可内嵌的高速、高精度、低功耗数据转换器成为模拟集成电路领域中的研究热点,其原因是，1、与模拟信号相比，数字信号具有便于存储、转移、保真度和可靠性高等优点，因此，在过去的20年，各国的研究机构对数字技术的发展非常重视，随着cmos工艺水平的长足进步和数字系统设计软件的日趋成熟，使数字系统无论是在理能力还是处理速度上都取得了飞速的发展2-4。相对而言，模拟和数模接口电路的设计在过去几十年没有得到足够的重视，加之模拟设计软件也不够成熟，使模拟尤其是数模接口电路的发展落后于数字电路的发展，因此，在一些包括数模接口的电子系统，象数字视频系统和数字通信系统中，接口电路的性能（如速度、精度）成为限制整个系统性能的瓶颈；2、由于靠电池供电的便携式设备日益普及，也要求在达到高速、高精度的前提下，消耗尽可能小的功耗，以维持较长的待机时间；3、随着单片系统集成的快速发展，要求接口电路和数字系统集成在一块芯片上，这对降低成本、提高性能具有很重要的意义5-6。综合国内外现有a/d转换技术资料可看出,a/d转换电路的主要发展趋势是向分辨率越来高、转换速率越来越高、精度越来越高、功耗越来越低、电压越来越低、趋于片化和cmos化、结构越来越简单的方向发展7.1.3解决本课题的问题拟采用的研究手段对加速度信号的仿真是利用ansys/ls - dyna 有限元分析软件，通过目标库获得目标介质特性，利用人机交互方式获得弹道终点弹头姿态信息，如着速、着角等，再选择合适的战斗部外形结构参数，利用专业的数值仿真工具就可以实现对钻地过程的仿真模拟，模拟得到的是数字信号，然后再利用kpci-823数模转换卡将这个数字信号转换为模拟信号。解决思路如下图所示：目标介质特性战斗部结构参数 ansys/ls dyna 数字信号 数模转换弹道参数选择 模拟信号曲线 示波器1.4本论文所做设计要求达到的功能 通过对本论文的设计，首先要能够合理的设置参数，使得在仿真弹体穿透钢板时能够得到符合实际情况的结果。在后一部分的设计中，即数模转换过程中，首先要编写正确的程序，将前面仿真得到的加速度数字信号添加到程序中，然后进行数模转换，利用示波器得到转换后的曲线与仿真得到的加速度信号曲线进行比较，若相似则本论文的设计是成功的。本论文的设计结果的目的是要为硬目标灵巧引信的设计提供一些贴近真实情况的数据，从而为硬目标灵巧的设计、研发提供数据支持。2 硬目标灵巧引信及应用背景分析2.1 硬目标灵巧引信简介 目前在军事领域中，钻地导弹所使用的是一种硬目标灵巧引信，该引信以微型固态加速度计为核心部件，能够精确测量出侵彻弹头穿过地下板层及穿透距离，根据预编好的最佳引爆点来引爆穿透弹头，使弹头侵彻到最佳深度时在极短时间延时后引爆以达到最大的毁伤效果8。硬目标灵巧引信的多功能智能控制装置,用微芯片感知物体在不同介质中运动的加速度变化,经过单片机处理,将差别转化为控制导弹、炸弹和炮弹的引爆信号。其加速度计感应加速度值并输出相应电压信号,经整流滤波电路,由a/d转换器转换成数字信号。由单片机处理器根据预置处理程序处理,满足触发条件时发出信号触发弹体炸药,实现控制侵彻弹头钻地或楼层攻击。2.2 硬目标灵巧引信应用背景分析硬目标灵巧引信主要用在钻地导弹中，科索沃战争及阿富汗战争中, 美军已大量使用包括“战斧23” 巡航导弹gbu 224 b、gbu228 和gbu232 等多种精确制导的钻地炸弹。由于这种精确制导技术及深钻地炸弹在军事上的大规模运用,使得防护工程技术, 将由主要防核武器向防包括核武器在内的高技术武器转变。1996年5月, 美国国防部在其美国国防部技术领域计划对钻地弹提出的技术要求: 研究硬目标侵彻引信技术,提高武器效能,使之对钢筋混凝土侵彻深度超过 8 m (提高了3 倍)；硬目标穿透弹头, 用来对付埋在地下或混凝土中的各种目标与结构, 包括坚固的大型多层地下设施以及大规模杀伤武器的贮存与生产设施所需的弹头。近期(12年)将blu 2109 穿透力提高 1倍。中期(3 5 年)利用外部推进力量, 提高撞击速度, 增加侵彻深度300%。远期(6 年之后)将先进的高能量密度炸药用于攻击硬目标的超高速钻地炸弹, 混凝土侵彻深度5.5 11.0 m。钻地导弹均采用穿甲弹头, 弹头重50135 kg,弹头撞地速度 600800 m/ s, 钻土 5070 m ,钻钢筋混凝土2 .4 m ,钻混凝土6 m。钻地制导炸弹分重磅和小型钻地制导炸弹两种。重磅钻地制导炸弹重500 2000 kg, 撞地速度200 400 m/s, 钻土3070 m ,钻混凝土26 m。采用火箭加速等技术, 撞地速度可达1 000 2 000 m/s (m 3 6) , 钻土达200 m以上, 钻混凝土达18 m 以上。小型钻地制导炸弹重100300 kg, 采用火箭加速等技术, 撞地速度可达2 km/ s (m 6) , 钻土 200m 左右, 钻混凝土18 m 左右。美正在研制的小型灵巧炸弹(mm td) , 弹长1.8m , 弹径 0 .15 m , 弹重 113 kg, 装药量 22 .7 kg, 在1996 年试验中, 钻透 0 .9 m 厚混凝土后又钻土 170m , 另一次试验中, 钻透了厚度达8 m 的混凝土防护层。美空军认为, 该小型钻地制导炸弹在攻击坚固目标时, 比两千磅制导炸弹威力更大、更准确,称它是一种新概念武器。 海湾战争后美空军为gbu 228 激光制导炸弹安装了1800 kg 级blu 2113 侵彻弹头, 采用火箭加速等方法, 使 gbu228撞地速度达到 1200m/s 以上, 钻混凝土约18 m9。新型钻地武器的基本特点: 精确制导技术的应用, 包括电视制导、 激光制导、 红外传感器和雷达搜索等技术, 达到自动识别目标及针尖命中精度; 新型高强弹体材料的应用,新的外壳设计; 弹头撞击速度及撞击能量的进一步提高; 弹体长细比的增加, 采用更有效的弹头形状; 优质引信和改进的能量输出; 复式侵彻弹的研究与应用。3 kpci-823数模转换卡的介绍及工作原理3.1 kpci-823数模转换卡的概述3.1.1 概述 kpci-823 模拟量输出接口卡适用于提供 pci 总线插槽的原装机、兼容机和工控机。该卡可广泛应用于工业过程控制系统以及实验室的模拟量输出控制。具有适用范围广、操作使用简便、抗干扰能力强的特点。用户可根据控制对象的需要，选择电压或电流输出方式以及不同的输出量程。 kpci-823 模拟量输出接口卡安装使用方便，程序编制简单。其模拟量输出信号由卡上的37 芯 d型插头与外部设备连接。 3.1.2 技术参数 2-1 pci局部总线性能： 总线宽度 32 位，同步工作频率可达到 33mhz，最高传输速率为 132mbs 使用方便，能够实现自动配置，实现设备的即插即用 提供数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性； 2-2 模拟量输出部分： 输出通道数：12 路 (互相独立，可同时或分别输出) 输出信号范围：(标*为出厂标准状态) 电压方式：010v(*)；5v； 电流方式：420ma 输出阻抗：2 (电压方式) da转换器件：dac0832 da转换分辨率：8 位 da转换输出码制：二进制原码 da转换建立时间：1s 系统综合建立时间：约 10s da转换综合误差： 电压方式：1 fsr 电流方式：1 fsr 电压输出方式负载能力：5ma每路 电流输出方式负载电阻范围： 400.电源功耗：全电压输出方式：4w ；全电流输出方式：5w 使用环境要求：工作温度：1040 ；相对湿度：095（不凝露） 存贮温度：5585 外型尺寸：长宽210mm120m3.2 元件位置图、信号输出插座和开关跳线选择定义3.2.1输出插座 j1 接口定义： 输出插座j1接口定义表插座引脚号信号定义插座引脚号信号定义1vout121vout42vout322vout63vout523vout84vout724vout105vout925vout126vout1126公共地端7公共地端27公共地端8公共地端28公共地端9公共地端29iout110公共地端30iout311iout231iout512iout432iout713iout633iout914iout834iout1115iout1035公共正端16iout1236公共正端17公共正端37公共正端18公共正端19公共正端20vout23.2.2 跳线选择说明： 跨接插座的用法： jp1jp12 为每一输出通道的 da 输出量程及方式选择插座，各通道可以选择相同或不同的输出方式和范围，互不影响。插座的使用方法见3-1图： 图3-1 插座使用方法图3.2.3 调整与校准： 1本卡出厂前，已按照单极性 010v 输出调整好，一般情况下用户不需进行调节。如果用改变了工作方式及范围，可按本节所述方法进行调整。调整时应开机预热 20 分钟左右，待各部电路处于稳定工作状态之后再调整，并准备一块 4 位半以上的数字万用表。 2各电位器功能说明： w0 为-5v基准源输出精度调节。w1 为 da1 零点调节。 w2 为 da1 满度调节。 w3 为 da2 零点调节。 w4 为 da2 满度调节。 w5 为 da3 零点调节。 w6 为 da3 满度调节。 w7 为 da4 零点调节。 w8 为 da4 满度调节。 w9 为 da5 零点调节。 w10 为 da5 满度调节。 w11 为 da6 零点调节。w12 为 da6 满度调节。 w13 为 da7 零点调节。w14 为 da7 满度调节。 w15 为 da8 零点调节。w16 为 da8 满度调节。 w17 为 da9 零点调节。w18 为 da9 满度调节。 w19 为 da10 零点调节。w20 为 da10 满度调节。 w21 为 da11 零点调节。w22 为 da12 满度调节。 w23 为 da12 零点调节。w24 为 da12 满度调节。3. 模出调整： 凡改变模出的工作方式和量程范围后，如果输出结果误差较大时，需要对模出进行调整。变为 420ma方式时，更应进行此项调整。待满度调整完毕后再观察零点情况并决定是否进行调整。具体调整方式如下： 零点调整：在单极性方式或双极性输出方式时，分别测量调整 w1(da1)、w3(da2)、 w5(d a3)、 w7(da4)、 w9(da5)、 w11(da6)、 w13(d a7)、 w15(da8) 、w17(da9)、w19(da10)、w21(d a11)、w23(da12)使其零点偏差最小。 满度调整： 在零点调整正常情况下， 如果满度偏差较大， 可分别调整 w2(da1)、 w4(da2)、w6(d a3)、w8(da4)、 w10(da5)、w12(da6)、w14(d a7)、w16(da8) 、w18(da9)、w20(da10)、w22(d a11)、w24(da12)使满度符合要求。 重复进行上述步骤，直到零点和满度都满足要求为止。 四输出码制以及数据量与模拟量的相对关系： 1本接口卡在单极性方式工作时，即输出模拟量为 010v 时，写出的 8 位数码为二进制原码。此 8 位数码表示一个正数码，其数码与模拟电压值的对应关系为：数码(8 位)(模拟电压值(v) / 10) * 255即：1 lsb 约等于 39mv 。2本接口卡在双极性方式工作时，输出模拟量为-5v+5v 时，写出的 8 位数码为二进制偏移码。此时 8 位数码的最高位(db7)为符号位， “0”表示负， “1”表示正。此时数码与模拟电压值的对应关系为： 数码(8 位)( ( 模拟电压值(v) + 5 ) 10 )255即：1 lsb约等于39mv 。3. 420ma输出：本卡在电流输出方式时的电流范围为 420ma。 当数据(8bit)全为 “0” 时，电流输出为 4ma当数据(8bit)全为“1”时，电流输出为 20ma。这样电流输出与数据的对应关系为：数码(8 位)（(电流值（ma ） 4) / 16） 255 。4电流输出方式的使用：本卡模出部分可选择 420ma电流输出方式以直接驱动、型执行仪表。采用电流出方式时，供电使用本卡提供的电源。其连接使用方法见图3-2图： 图3-2 电流输出方式连接图5 电压输出方式的使用：本卡模出部分可选择电压输出方式，其连接使用方法见3-3图。 图3-3 电压输出方式连接图3.3 控制端口与数据格式3.3.1端口地址与功能表：端口偏移地址操作命令功能0写操作写 d/a的8位数据80读操作启动第1路 d/a81读操作启动第2路 d/a82读操作启动第3路 d/a83读操作启动第4路 d/a84读操作启动第5路 d/a85读操作启动第6路 d/a86读操作启动第7路 d/a87读操作启动第8路 d/a88读操作启动第9路 d/a89读操作启动第10路 d/a8a读操作启动第11路 d/a8b读操作启动第12路 d/a3.3.2 d/a转换数据格式：端口地址操作命令d7d6d5d4d3d2d1d0意义基地址+0写操作db7db6db5db4db3db2db1db08位数据3.4库函数调用说明及编程实例光盘中提供了两个分别在 vb 和 vc 下开发的示例程序，给出了板卡的相关参数的设置过程和数据处理方法及板卡的工作过程和顺序，包括卡的打开与关闭。用户可以参照相应 vb 或vc 程序段根据实际需要利用函数库中提供的函数设计自己的软件，初次使用动态链接库的用户，还可以在程序中找到动态链接库的调用方法。为方便用户分析示例程序以工程的形式提供了所有的资源和代码。3.4.1 d/a输出过程流程图：3.4.2 编程示例： 1. vb编程示例请参照“vb”下的程序 2. vc编程示例请参照“vc”下的程序 三 kpci800.dll 库函数说明 以下介绍 kpci800.dll 所包含的全部函数应用方法，用户可以具体根据所选用的板卡使用其中的一些函数。函数中的参数设置要参考具体的板卡说明来设置。 1打开设备 visual c+ & c+builder： bool winapi opendevice(ulong iindex) visual basic： declare function opendevice lib kpci800.dll (byval iindex as long) as boolean 功能：该函数负责打开板卡的设备对象 参数：iindex指定kpci板卡的设备序号,0对应第一个设备返回值：“1”表示成功，“0”代表失败。 注意：设备序号 兼容机是靠近cpu的pci插槽号为小序号(从0开始)， 工控机则相反，远离cpu的pci插槽号为小序号(从0开始)。 2关闭设备 visual c+ & c+builder：void winapi closedevice(ulong iindex ) visual basic：declare sub closedevice lib kpci800.dll (byval iindex as long) 功能：该函数负责关闭板卡的设备对象 参数：iindex 与opendevice中的相同 返回值：无 3读 a/d某一通道转换数据(适用 kpci812 数据采集卡) visual c+ & c+builder：ulong winapi pci812_readad(ulong iindex,uchar adch，ulong delay) visual basic： declare function pci812_readad lib kpci800.dll (byval iindex as long, byval adch as byte, byval delay as long) as long 功能：启动kpci812卡a/d某一通道采集数据并读入转换结果 参数：iindex 与opendevice中的相同 adch 为a/d的通道号 delay 为改变通道后需要延时(单位为1微秒，此处delay的值要大于100) 返回值：a/d数据4读a/d某一通道转换数据（适合 kpci815 数据采集卡） visual c+ & c+builder：ulong winapi pci815_readad (ulong iindex, uchar flbmode, uchar flbnum, uchar adch, ulong delay); visual basic：declare function pci815_readad lib kpci800.dll (byval iindex as long, byval flbmode as byte, byval flbnum as byte, byval adch as byte, byval delay as long) as long 功能：启动 kpci815 卡 a/d某一通道采集数据并读入转换结果 参数：iindex, 与 opendevice 中的相同 flbmode, 滤波方式，flbnum, 滤波次数，adch, 要采集的通道号delay 送通道号到启动ad转换之间延时(单位为1微秒，此处delay的值要大于200)返回值：两字节 a/d转换数据5. 向ao端口输出一个字节（适用kpci823模拟量输出卡） visual c+ & c+builder： void winapi daout823(ulong iindex,uchar channel,uchar ibyte)visual basic： declare sub daout823 lib kpci800.dll (byval iindex as long, byval channel as byte, byval ibyte as byte) 功能：该函数向 kpci823卡 ao某一通道写输出数据 参数：iindex 与opendevice中的相同 channel 指定模拟量输出的通道号(查阅6.1的偏移地址操作表） ibyte 为输出的数据（字节） 返回值：无 6. 从 i/o 端口读入一个字节 visual c+ & c+builder：uchar winapi readbyte(ulong iindex ,uchar dich) visual basic：declare function readbyte lib kpci800.dll (byval iindex as long, byval dich as byte) as byte 功能：从端口读入一个字节 参数：iindex 与opendevice中的相同dich 为开关量输入的地址 返回值：读取的单字节数据7. 从 i/o 端口读入一个字 visual c+ & c+builder： word winapi readword(ulong iindex ,uchar dich) visual basic： declare function readword lib kpci800.dll (byval iindex as long, byval dich as byte) as long功能：从端口读入一个字 参数：iindex 与opendevice中的相同 dich 为开关量输入的地址（查阅6.1的偏移地址操作表，地址为0和表中所列偶数）返回值：读取的单字数据（双字节数据） 8从 i/o 端口读入一个双字 visual c+ & c+builder： dword winapi readdword(ulong iindex ,uchar iaddr) visual basic： declare function readdword lib kpci800.dll (byval iindex as long, byval dich as byte) as long 功能：从端口读入一个双字 参数：iindex 与opendevice中的相同 iaddr 为开关量输入的地址（查阅6.1的偏移地址操作表，地址为0或4） 返回值：读取的双字数据（4个字节数据） 9. 向i/o端口输出一个字节 visual c+ & c+builder： void winapi writebyte(ulong iindex ,uchar iaddr , uchar ibyte ) visual basic： declare sub writebyte lib kpci800.dll (byval iindex as long, byval iaddr as byte, byval ibyte as byte) 功能：该函数向端口写一个字节 参数：iindex 与opendevice中的相同 iaddr 为开关量输出地址（查阅6.1的偏移地址操作表） ibyte 为输出的数据（字节） 返回值：无 注：对于有两极锁存功能的板卡，执行过程略有不同，第一次执行此函数，数据被送入第一级锁存器，并未实际输出，当第二次执行此函数（数据变量ibyte内容无效，地址变量iaddr要参照6.1的偏移地址操作表中二级锁存输出允许的偏移地址）时，数据才真正送到输出端口。请仔细阅读演示程序。10. 向 i/o 端口输出一个字 visual c+ & c+builder： void winapi writeword(ulong iindex ,uchar iaddr , uchar iword ) visual basic： declare sub writeword lib kpci800.dll (byval iindex as long, byval iaddr as byte, byval idate as long) 功能：该函数向端口写一个字 参数：iindex 与opendevice中的相同 iaddr 为开关量输出地址（查阅6.1的偏移地址操作表，地址为0和表中所列偶数） iword 为输出的字数据（单字数据）返回值：无 11. 向 i/o 端口输出一个双字 visual c+ & c+builder： void winap i writedword(ulong iindex ,uchar iaddr , uchar idword ) visual basic： declare sub writedword lib kpci800.dll (byval iindex as long, byval iaddr as byte, byval idate as long) 功能：该函数向端口写一个双字 参数：iindex 与opendevice中的相同 iaddr 为开关量输出地址（查阅6.1的偏移地址操作表，地址为0或4） idword 为输出的双字数据 返回值：无 12. 延时函数 visual c+ & c+builder： void winapi timedelay(ulong timedelay ) visual basic： declare sub timedelay lib kpci800.dll (byval timedelay as long,) 功能：该函数完成延时功能 参数：timedelay延时时间常数（单位为微秒，在windows系统下，此数值应大于100）返回值：无4 侵彻加速度信号的仿真4.1 ansys/ls-dana软件介绍有限元法自45年代发展以来 ,在近15年中获得了巨大的成功。这不仅表现在有限元理论 已经相当完善,有限元形态已经十分丰富,应用范围十分广泛 ,还表现在已经开发了大量用之有效的有限元软件。有限元软件可以分为通用和专用两大类。目前世界上的通用有限元软件有300多个,但知名的有限元软件仅仅十几个 , ansys有限元分析系统就是其一。ansys是美国swanson analysis systems公司研制和发展的工程分析通 用有限元分析系统,经过二十多年的发展和完善,不断采用最新的有限元成果 ,已受到国际工程界和学术界的普遍欢迎和重视。世界上有几干家企业和研究院使用ansys作为主要的计算分析工具。ansys分析系统包括前处理、解算、后处理三个阶段的程序系统,有很强的前后处理功能。其中前处理有两个子程序供选择,后处理有五个子程序供选择,解算阶段有九种分析类型供选择。ansys的前后处理都可交互式进行,并有详细的机内手册供查询,且有上千页的菜单提示。图形既能在图形终端上作彩色显示,也能从大型绘图机上按用户希望的比例绘出。ansys的数据输入极为方便,如单位制可任选一组 ,命令间顺序相对任意,命令采用自由格式,数据类型不加限制,参数广泛采用缺省等。ansys的前处理主要用于形成有限元模型。用户只需输入少量的必要数据定义模型、载荷和边界条件。可在图形终端上交互式显示所定义的东西 ,并能自动检查输入或按照需要立即进行修改。前处理有专门子程序执行下列工作：一维、二维、三维模型的建立；网格的直接输入或自动划分，或二者相结合，构造管道系统和框架结构模型，定义边界条件、材料性质,定义多载荷步或多工况，用微分或积分生成载荷步，从输入加速度谱算出位移谱；从输入数据点算出fourier级数；可交互式用彩色或黑白方式显示透视图、消隐图、截面图、儿何模型图、村料性质曲线图等,可同时开五个不同窗口，在模型上显示载荷、边界条件，可调焦距和物距，改变视向，作旋转，作比例放缩，作局部放大显示，作元素及节点等编号的显示，建立模型时，有四种坐标系可供使用，它们是笛卡儿直角坐标系、柱坐标系、球坐标系和环坐标系；可同时定义5 个局部坐标系帮助建模，可自动将已执行的热分析温度分布输入到结构分析中。 静力分析求解弹性塑性蠕变膨胀、大变形、应力强化、几何非线性、间隙、接触、断裂等问题。特征值屈曲分析，作稳定性分析，能求临界载荷和屈曲形态等。模态分析，求解自然频率、振型及振型参与系数等，可包括频谱，如地震谱、力谱、功率谱的选择,并可采用主从自由度法缩减系统自由度。全谐响应分析，确定线性结构对谐振载荷的稳态响(频率,相角,位移,应力等)非线性瞬态动力分析，求解随时间变化的任意载荷作用下结构的动力响应,包括弹性、塑性 、粘塑性、蠕变、膨胀、大变形、应力强化、几何非线性 、间隙、接触、断裂等问题。求解方程采用隐式直接积分法（时间离散常步长、变步长）。线性瞬态动力分析,求解与非线性瞬态动力分析类似的问题 。局限于线性结构（“间隙”可非线性）刚阵、阻尼阵均为常数阵，及时间步长为常步长的情况，但优点在于可给定主、从自由度，以减缩系统总自由度，并可采用直接积分法（newmark）和模态迭加法求解减缩谐响应分析，与全谐响应分析类似。仅用于矩阵是对称的情况，但可给定主 、从自由度,以减缩总自由度。子结构分析，可大大减缩系统总自由度，提高计算效率,对大型结构分析尤其有效，可进行 “整体局部分析”热和位势场分析，热分析包括热传导、对流、幅射及内热源问题材料可为正交异性，且可随温度变化，可求解稳态、瞬态温度场及热应力。位势场分析,可求解渗流、流体循环、电场、磁场、扩散问题,及其它由laplace方程和poisson方程控制的问题。有限元分析产生大量结果，ansys的后处理可对结果进行数据处理和图形显示等工作。数据处理方面功能主要有：结果的分类、选择 、排序、打印。对数据作线、面、体积积分,对数据作四则运算和微分运算。对向量求标量积和矢量积。作符合asme标准的锅炉和压力容器的疲劳、寿命计算。在任选截面上把全应力按asme标准进行分类,据此判断是否符合设计规则用asme标准和 ansi规则处理管道 系统应力。处理随时间变化的结果。对工况作比较、组合等运算和分析,并对各个载荷步的结果文件进行处理。函形显示方面的主要功能有：作等值线显示，可作变形显示，且可与变形前图形作比较，可产生各种曲线图，如某量沿某个路径的分布曲线,及某点某量随时间变化曲线等，可产生结构所受的力矩、剪力、拉力图可显示一个载面上的应力分类曲线10。工程结构和部件精确的计算分析对于提高结构的可靠性和产品的质量 ,发挥着越来越重要的作用 中国东方电气集团公司引进ansys分析系统 ,将有利干西南地区的工程科技计算分析 。迄今为止,它的开发应用工作已经取得重大进展。东方公司用ansys为用户解决的工程问题包括第二重型机械厂某承力支座的强度校核；核585所某反应堆波壳的计算分析；核一院某反应堆的压力容器强度评定；南充盐厂自备电站汽轮机发电机基础的三维动力计算分析；湛江糖厂自备电厂厂房轴线横向框架计算分析；东方锅炉厂300mw锅炉汽包集中下降管管座弹塑性分析；东方电机厂转子支架刚强度分析；东方汽轮机厂300mw汽轮机高中压转子应力分析；大型汽轮机隔板挠度与强度计算；广东黄埔大型斜拉桥静力、动力分析。正在解决的问题有：东方汽轮机厂300mw主汽阀、调节阀三维温度场及综合应力分析；东方电机厂大型发电机槽楔与护环的接触问题，东方锅炉厂大型锅炉汽包启停全过程瞬态温度场及综合热应力计算分析；核585所的偏滤器靶板热输运和应力计算；大连内燃机车研究所的柴油机汽缸盖破损机理研究等。4.2 弹体穿透钢板的模型及参数 弹体对金属靶的侵彻一般可以采用二维拉格朗日方法、二维ale方法、三维拉格朗日方法三种方法进行分析，其中二维拉格朗日方法是最常规最基本的一种，本论文采用二维拉格朗日方法11。4.2.1 问题描述一个头部为半球形的圆柱金属弹丸，半径为1.3cm，长度3.9cm。金属靶板尺寸均为100cm100cm0.6cm,靶板之间平行，相距3cm。弹丸以1300m/s的速度垂直撞击靶板的中心，如图4-1所示，弹丸和靶板材料均为钢。本论文要解决的问题是高速冲击动力学的一个典型模型即弹头侵彻刚性靶问题，其过程具有高速、高温、高压等基本特征。因为加载速率高、变形和速度大以及接触物体的侵彻贯入作用，在高速碰撞过程中材料内部可能呈现明显的应变率及绝热温升效应，甚至发生相变。由于侵彻问题属于大变形、高压和高应变率的问题，因此对这类问题的数值模拟，采用合理的材料分析模型是重要的前提条件。在 ansys/ls-dyna 中带有断裂失效的约翰逊-库克(johnson-cook)塑性材料模型，适合用来建立侵彻问题的分析模型12。4.2.2 建模分析这是典型的侵彻碰撞问题，弹丸初速较高，属于高速撞击范围。弹丸尺寸与靶板尺寸相比要小得多，靶板远端受到弹丸的作用很小，可以认为靶板是无限域。在这种情况下，靶板可视为轴对称体，由于弹丸也为轴对称体，因此整个模型可以简化为二维轴对称问题13-15。为减小工作量，弹丸和靶板计算模型具体尺寸如4-1图所示。 图4-1 弹丸和靶板模型计算模型使用拉格朗日网格，用二维实体solid 162单元进行划分，采用轴对称画法，对称轴为y轴。弹丸与靶板之间的接触采用*contact_2d_automatic_single_surface算法，在靶板边界处施加二维透射边界，采用cm-g-us建模。计算时间为80us，每2us输出一个结果数据文件。4.3加速度信号仿真步骤第一步：设置工作目录和工作文件penetration2d-lagrange,启动ansys进入操作界面。第二步：选择单元类型，在library of element types选择栏中选择ls-dyna explicit 2d solid 162,在stress/strain options下拉框中选择axisymmetric选项，单击ok选项，且激活volume weighted选项第三步：定义材料属性，将三种材料定为johnson-cook模型，在dens设置框中输入7.83。第四步：构建有限元实体模型，利用ansyas的建模工具建立二维模型。第五步：划分网格，将弹丸及两块钢板分别进行网格划分。第六步：创建part,弹出创建的part信息。第七步：定义接触。第八步：设置弹丸初始速度。第九步：设定分析选项，激活stonewall energy和sliding interface单选钮。第十步：设置求解时间和时间步控制，在terminate at time设置框中输入80。，其余默认。第十一步：设置输出类型和时间间隔，在时间间隔框中输入2。第十二步：输出k文件，并弹出command窗口，列出有关模型信息。第十三步：编辑修改penetration2d-lagrange.k文件1. 用ultraedit打开目录下的k文件。2. 修改材料模型*mat_johnson_cook关键字和状态方程*eos_grunelsoen关键字。3. 添加*set_node_list和*boundary_non_reflection_2d关键字。4. 添加用于接触刚度的*control_contact关键字。5. 修改用于控制壳单元响应的*control shell关键字。6. 添加用于设置弹丸初始速度的*initial_velocity_generation关键字。 第十四步：求解，利用编辑好的k文件及运行ls-dyna 970求解器开始求解。求解时间到达，计算完毕后，ls-dyna 970程序会返回模型和计算的有关信息，如4-2图所示： 图4-2 模型和计算的信息4.4后处理第一步：查看弹丸侵彻靶板变形过程1. 运行ls-prepost，选择fileopenplot命令，打开工作目录下的d3plot文件，程序将读入结果数据文件；2. 选择下拉菜单misc.reflectreflect about yz plane,将模型做yz平面对称镜像，如4-3图所示： 图4-3 模型对称镜像3. 选择主菜单fcompstressvon mises stress,单击apply按钮，然后单击动画播放按钮，程序将在图形窗口连续动态显示弹丸的穿甲过程及弹靶von-mises应力云图变化情况，如4-4图所示： 图4-4 应力云图第二步：输出弹丸加速度、速度时程曲线1. 运行ls-prepost，读入d3plot结果数据文件；2. 选择主菜单historymaterialy-rigid body velocity,在图性窗口选择弹丸part，单击plot按钮，弹出弹丸的y方向速度时程曲线，如4-5图所示： 图4-5 节点的速度时程曲线3. 选择主菜单historymaterialy-rigid body acceleration，在图性窗口选择弹丸part，单击plot按钮，弹出弹丸的y方向速度时程曲线，如4-6图所示： 图4-6 节点加速度时程曲线5 数模转换方法的研究及验证5.1 数模转换步骤及结果第一步：将kpci-823数模转换卡插入电脑机箱的pci扩展槽中；第二步：安装pci设备驱动程序；